自動(dòng)化關(guān)鍵設(shè)備之工業(yè)機(jī)器人

沈愛(ài)華

(安徽佳通乘用子午線輪胎有限公司，安徽 合肥 230601)

工業(yè)機(jī)器人作為先進(jìn)制造業(yè)中不可替代的重要裝備和手段，已成為衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平和科技水平的重要標(biāo)志。我國(guó)正處于加快轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要時(shí)期，以工業(yè)機(jī)器人為主體的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，正是破解我國(guó)產(chǎn)業(yè)成本上升、環(huán)境制約問(wèn)題的重要路徑選擇。

1 機(jī)器人簡(jiǎn)介及分類

1.1 定義

機(jī)器人（Robot）是一種可編程和多功能的，用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動(dòng)作的專門(mén)系統(tǒng)。

任務(wù):協(xié)助或取代人類工作的工作，例如工業(yè)生產(chǎn)、建筑業(yè)或是危險(xiǎn)的工作。

1.2 機(jī)器人三定律

因?yàn)闄C(jī)器人代替人類工作的特性，為了確保人類對(duì)機(jī)器人的控制，所以產(chǎn)生了著名的機(jī)器人三定律：

（1）機(jī)器人不可以傷害人類，人類受傷時(shí)，必須拯救人類。

（2）機(jī)器人要聽(tīng)從人類的命令，除非違反第一定律。

（3）機(jī)器人應(yīng)能保護(hù)自己的生命，與第一、二定律相違背除外。

1.3 機(jī)器人分類

機(jī)器人按應(yīng)用類型可分為工業(yè)機(jī)器人、極限作業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人。

1.3.1 工業(yè)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人有搬運(yùn)、焊接、裝配、噴漆、檢查等機(jī)器人，主要用于現(xiàn)代化的工廠和柔性加工系統(tǒng)（見(jiàn)圖 1和圖 2）。

1.3.2 極限作業(yè)機(jī)器人

極限作業(yè)機(jī)器人主要是指在人們難以進(jìn)入的核電站、海底、宇宙空間進(jìn)行作業(yè)的機(jī)器人，也包括建筑、農(nóng)業(yè)機(jī)器人等（見(jiàn)圖3和圖4）。

1.3.3 服務(wù)機(jī)器人

服務(wù)機(jī)器人包括家庭、醫(yī)療、娛樂(lè)、玩具機(jī)器人等（見(jiàn)圖5和圖6）。

2 工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

2.1 工業(yè)機(jī)器人構(gòu)成

（1）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：機(jī)器人運(yùn)動(dòng)起來(lái)各個(gè)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)系統(tǒng)。

（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，工業(yè)機(jī)器人一般包括：基礎(chǔ)、手臂、末端操作器。

（3）感受系統(tǒng)：內(nèi)置或外接的各種傳感器，測(cè)量外部信息

（4）機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)：與環(huán)境中其他設(shè)備配合操作，形成系統(tǒng)。執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)人機(jī)交互系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的總體成本中，減速機(jī)占比36%，伺服系統(tǒng)占比24%，機(jī)械本體占比22%，控制器占比12%，其他占比6%，減速機(jī)、伺服電機(jī)、控制器三大核心零部件占比成本達(dá)72%。

（5）控制系統(tǒng)：將相應(yīng)的指令轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可執(zhí)行的動(dòng)作。控制系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖7。

2.2 主流的工業(yè)機(jī)器人

目前市面上主流的工業(yè)機(jī)器人的主要配置見(jiàn)圖8所示。

工業(yè)機(jī)器人的總體成本中，減速機(jī)占比36%，伺服系統(tǒng)占比24%，機(jī)械本體占比22%，控制器占比12%，其他占比6%，減速機(jī)、伺服電機(jī)、控制器三大核心零部件占比成本達(dá)72%（見(jiàn)圖9）。

2.3 主流的六自由度機(jī)器人

以市面上主流的六自由度機(jī)器人本體舉例主要部件見(jiàn)圖10。

2.4 減速機(jī)

機(jī)器人減速機(jī)主要有RV減速機(jī)和諧波減速機(jī)兩種（見(jiàn)圖11）。

相比于諧波減速機(jī)，RV減速機(jī)具有更高的剛度和回轉(zhuǎn)精度。因此在關(guān)節(jié)型機(jī)器人中，一般將RV減速機(jī)放置在機(jī)座、大臂、肩部等重負(fù)載的位置，而將諧波減速機(jī)放置在小臂、腕部和手部。

RV減速機(jī)的原理很早就已經(jīng)公開(kāi)，而且沒(méi)有專利保護(hù)，但是整個(gè)行業(yè)RV減速機(jī)80%市場(chǎng)仍由日本占據(jù)，主要品牌是納博特斯克和住友

1970年10月，長(zhǎng)谷川齒車株式會(huì)社與美國(guó)USM公司達(dá)成協(xié)議雙方各出資50%，成立哈默納科公司，基本壟斷了全球諧波減速機(jī)市場(chǎng)。

RV減速機(jī)：電機(jī)旋轉(zhuǎn)是從輸入齒輪向直齒輪傳動(dòng)，輸入齒輪和直齒輪的齒數(shù)比為一級(jí)減速比。曲柄軸和直齒輪直連，旋轉(zhuǎn)數(shù)一致（見(jiàn)圖12和圖13）。

2.4.1 RV減速機(jī)

RV減速機(jī)：曲柄軸的偏心軸中，通過(guò)滾針軸承安裝了2個(gè)RV齒輪，隨著曲柄軸的旋轉(zhuǎn)，偏心軸中安裝的2個(gè)RV齒輪也跟著做偏心運(yùn)動(dòng)（見(jiàn)圖14）。

一方面，在殼體內(nèi)側(cè)的針齒槽里，比RV齒輪的齒數(shù)多一個(gè)的針齒槽等距排列。曲柄軸旋轉(zhuǎn)一次，RV齒輪與針齒槽接觸的同時(shí)作一次偏心運(yùn)動(dòng)。

曲柄軸轉(zhuǎn)一圈，RV齒輪旋轉(zhuǎn)一個(gè)齒輪距離，二級(jí)減速比為RV齒輪數(shù)（見(jiàn)圖15）。

總減速比為：一級(jí)減速比×二級(jí)減速比

2.4.2 諧波減速機(jī)

諧波減速機(jī)主要由波發(fā)生器、柔輪、柔性軸承、鋼輪四個(gè)基本構(gòu)件組成（見(jiàn)圖16）。

諧波減速機(jī)是一種靠波發(fā)生器裝配上柔性軸承使柔性齒輪產(chǎn)生可控彈性變形，并與剛性齒輪相嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的齒輪傳動(dòng) ，簡(jiǎn)而言之，就是把齒輪內(nèi)嵌進(jìn)去（見(jiàn)圖17）。

諧波減速機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在柔輪壽命和加工精度上。

2.4.3 伺服電機(jī)

伺服電機(jī)以電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制電機(jī)的輸出，以達(dá)到閉環(huán)控制部件運(yùn)動(dòng)的目的（見(jiàn)圖18）。

2.4.4 控制器

控制器是機(jī)器人的大腦，發(fā)布和傳遞動(dòng)作指令，包括軟件和硬件兩部分：硬件就是工業(yè)控制板卡，包括主控單元和信號(hào)處理單元等；軟件部分主要是控制算法和人機(jī)交互程序（見(jiàn)圖19、20）。

2.4.5 手爪-吸盤(pán)式

吸盤(pán)與真空發(fā)生器相連，吸取工件時(shí)，真空發(fā)生器在吸盤(pán)內(nèi)形成負(fù)壓，在大氣壓的作用下，工件被吸盤(pán)緊緊吸住。

當(dāng)需要釋放工件時(shí)，吸盤(pán)內(nèi)吹入空氣，負(fù)壓消失，工件在重力作用下自由落體。

單個(gè)吸盤(pán)吸力有限，一般用多個(gè)吸盤(pán)組成吸盤(pán)組，以保證吸取的穩(wěn)定性。吸盤(pán)及吸盤(pán)控制原理（見(jiàn)圖21，22）。

2.4.6 手爪-抱夾式

抱夾式用于較重物體的搬運(yùn)。

手爪設(shè)計(jì)成夾子的形狀，一般采用氣缸或電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)方式。抓取時(shí)，夾子夾緊搬運(yùn)的物體，到達(dá)指定位置時(shí)，手爪松開(kāi)，放下搬運(yùn)物。

一般抓手上還會(huì)有傳感器檢測(cè)是否準(zhǔn)確抓取到物體（見(jiàn)圖23，24）。

2.4.7 手爪-內(nèi)撐式

一般用于抓取較輕重量的環(huán)形物體，抓手伸入環(huán)形內(nèi)再向多個(gè)方向撐開(kāi)，待卡住物體穩(wěn)定后，機(jī)器人進(jìn)行搬運(yùn)（見(jiàn)圖25、26）。

3 工業(yè)機(jī)器人在輪胎工廠應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人在輪胎工廠的應(yīng)用（見(jiàn)圖27～30）。

4 主要工業(yè)機(jī)器人廠家

4.1 中國(guó)工業(yè)機(jī)器人密度

以每萬(wàn)名工人所擁有的機(jī)器人數(shù)量來(lái)衡量工業(yè)機(jī)器人的使用覆蓋率。

2015年，中國(guó)機(jī)器人密度僅49，全球平均69。2011～2018年，中國(guó)機(jī)器人密度逐年增長(zhǎng)，2018年已達(dá)140，全球平均99。

中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)，見(jiàn)圖32。

2015～2019年，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)銷售總額保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，但2017年后增長(zhǎng)率下降明顯，見(jiàn)圖33。

4.2 工業(yè)機(jī)器人四大家族

（1）日本的安川電機(jī)（YASKAWA）

日本首家生產(chǎn)伺服電機(jī)的公司，除去減速器外購(gòu)，其他諸如控制器、伺服系統(tǒng)和機(jī)械設(shè)計(jì)都是自己完成。

（2）日本的發(fā)那科（fanuc）

發(fā)那科的多年專注以及上下游產(chǎn)業(yè)鏈整合。三大業(yè)務(wù)板塊分別是數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)器人和機(jī)床，三者采用統(tǒng)一平臺(tái)。網(wǎng)絡(luò)公開(kāi)資料較少，利潤(rùn)率相對(duì)其他機(jī)器人廠家高。

（3）德國(guó)的庫(kù)卡（kuka）

機(jī)器人本體和系統(tǒng)集成，廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，擁有奔馳、寶馬等核心客戶。2017年，美的集團(tuán)投資37億歐元（約294億元人民幣），獲得庫(kù)卡集團(tuán)94.55%的股份。

（4）瑞士的ABB

專注于電力電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制，應(yīng)用于電子電氣與物流搬運(yùn)業(yè)，也廣泛應(yīng)用在高度成熟的汽車生產(chǎn)線中。

工業(yè)機(jī)器人界的四大家族：ABB、庫(kù)卡、發(fā)那科、安川都有其獨(dú)特的色系涂裝（見(jiàn)圖34）。

2012～2017年，工業(yè)機(jī)器人四大家族在中國(guó)的合計(jì)占有率一直在50%以上，隨著近年國(guó)產(chǎn)機(jī)器人公司的崛起，機(jī)器人四大家族的市場(chǎng)占有率逐年下降（見(jiàn)圖 35）。

4.3 中國(guó)工業(yè)機(jī)器人知名品牌

近兩年來(lái)，我國(guó)機(jī)器人企業(yè)發(fā)展迅速，特別是骨干企業(yè)的研發(fā)生產(chǎn)能力不斷提高（見(jiàn)表1）。

表1 中國(guó)工業(yè)機(jī)器人知名品牌

5 結(jié)論

工業(yè)機(jī)器人是智能制造業(yè)最具代表性的裝備。工業(yè)機(jī)器人集精密化、柔性化、智能化、軟件應(yīng)用開(kāi)發(fā)等先進(jìn)制造技術(shù)于一體，通過(guò)對(duì)過(guò)程實(shí)施檢測(cè)、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，實(shí)現(xiàn)增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低成本、減少資源消耗和環(huán)境污染的目的，是工業(yè)自動(dòng)化水平的最高體現(xiàn)。

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，我國(guó)正從勞動(dòng)密集型向現(xiàn)代化制造業(yè)方向轉(zhuǎn)型，振興制造業(yè)、實(shí)現(xiàn)工業(yè)化是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要任務(wù)。作為先進(jìn)制造業(yè)中不可替代的重要裝備和手段，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用和普及自然成為企業(yè)較理想的選擇。